铝是组成土壤无机矿物的主要元素,但是当它以A13+或Al(OH)4-的可溶性形式存在时会毒害所有的活细胞。当土壤酸化时,铝会从土壤固相释放,进入土壤溶液或以交换性铝的形式吸附于土壤表面的阳离子交换位上,使土壤铝的活性增加,土壤中可溶性铝含量增大。酸性土壤中的铝毒害对植物生长和土壤微生物的活动均有影响,会促使质膜变硬,脂质过氧化作用加剧,破坏质膜电荷平衡,阻碍Ca2+、K+通道等。因此,研究植物耐铝具有重要意义。酸性土壤中的铝毒害是造成农作物生长抑制、产量严重受限的主要因素,包括高产、高营养、再生性强并享有“牧草之王”的美誉的紫花苜蓿。紫花苜蓿喜中性或微碱性土壤,因此,我国紫花苜蓿的种植主要分布于北方,而南方地区因高温多雨、湿热的气候特点,所造成的酸性土壤环境严重限制了紫花苜蓿的生长,因此在南方地区种植较少。酸性土壤中的铝毒害是造成紫花苜蓿难以生长的主要因素之一。我们希望通过植物基因工程技术创制苜蓿耐铝新品系,进而实现在酸性土壤中大量种植新品系苜蓿,加大紫花苜蓿在我国南方地区的种植量,同时有利于改善土壤肥力及减缓土壤酸化。对植物甚至其他生物来说,对抗有毒物质的一个最重要的机制是有机体中有毒化合物的外排。与该机制相关的主要是MATE家族(the multidrug and toxin extrusion)。这是一类新型的二级转运蛋白基因家族,主要编码转运蛋白,普遍存在于有机生命体中。该家族的典型特征是编码具有12个跨膜结构域的转运蛋白,该家族成员依赖于跨膜电化学梯度来进行有机体多药和有毒物质的排出。MATE家族中与耐铝相关的基因SbMATE,是第一个研究比较清楚的耐铝基因,它来源于高粱。SbMATE基因的ORF序列长为1803bp,编码一个含600个氨基酸残基的蛋白,经预测该蛋白有12个跨膜结构域,是铝激活的质膜柠檬酸盐转运蛋白,在铝诱导条件下,该基因在根尖表达,负责柠檬酸及铝柠檬酸盐螯合物从高粱根尖分泌,与高粱的铝耐受性密切相关。我们分别选用CaMV35S组成型启动子与磷缺乏诱导的根特异启动子AtPT1启动SbMATE基因在苜蓿植株中表达,检测植株根、茎、叶中的铝含量及有机酸的种类和含量,同时进行基因表达分析,最终筛选获得高耐铝的苜蓿植株。主要结果如下：1.通过组织化学染色及PCR检测对超量表达植株进行筛选获得了苜蓿转基因阳性植株25株。2.对获得的植株进行铝含量测定,结果显示,与对照组相比,35S-SbMATE转基因苜蓿植株根部铝含量降低18.1%-30.7%, AtPT1-SbMATE转基因苜蓿植株根部铝含量降低8.8%-38.3%,且AtPT1-SbMATE转基因苜蓿植株根部铝含量明显低于35S-SbMATE转基因苜蓿植株。3.对获得的植株进行有机酸含量分析,结果显示,与对照组相比,35S-SbMATE、 AtPT1-SbMATE转基因苜蓿植株根部草酸、柠檬酸、苹果酸含量均降低。且AtPT1-SbMATE转基因苜蓿植株根部有机酸含量的降低较35S-SbMATE转基因苜蓿植株多一倍左右。4.对苜蓿植株茎部和叶片进行有机酸含量分析显示,与对照组相比,AtPT1-SbMATE转基因苜蓿植株茎部和叶片柠檬酸含量均升高,分别为3.41%～28.50%、4.27%～13.98%。35S-SbMATE转基因苜蓿植株茎部柠檬酸、苹果酸含量均降低,而草酸升高10.68%～63.71%。以上结果表明,在紫花苜蓿中超量表达SbMATE基因有可能提高苜蓿的耐铝能力,且AtPT1-SbMATE转基因苜蓿植株的铝耐受性明显高于35S-SbMATE转基因苜蓿植株,这为利用基因工程技术培育耐铝苜蓿新品种奠定了基础。